CN105432013A - 用于异步机器的控制装置和用于驱动异步机器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种方法和一种装置，以便在磁化阶段期间就已经求取异步机器的转子场角度，在所述磁化阶段中要建立起异步机器转子的转子场。然后在磁化阶段期间就已经可以在受控的工作中控制异步机器。由此可以改善异步机器的起动特性，异步机器的磁化阶段缩短，并且在磁化阶段中就已经可以产生所希望的扭矩。

Description

用于异步机器的控制装置和用于驱动异步机器的方法

本发明涉及一种用于异步机器的控制装置和一种用于在磁化阶段驱动异步机器的方法。

为了能够在异步机器中精确地产生所要求的扭矩，在场定向地控制异步机器时需要精确地知道转子场角度。在异步机器中对转子场角度的求取在此可以要么通过额外的角度传感器来进行，要么采用无传送器(geberfrei)的方法来进行。若使用额外的角度传送器来确定转子场角度，就必须在异步机器的转轴上安置额外的传感器，这些传感器输出与转轴的角度位置有关的可分析的信号。若替代地无传送器地求取转子场角度，就通过分写异步机器的相电流和电压来确定转子位置。这里可分为能在高转速情况下可靠地确定转子场角度的方法和能在低转速情况下在静止状态下采用的方法。

DE102005007995A1公开了一种用于确定电的机器的转子位置的方法。在这里，对定子线股交替地施加以电压，并由在这种情况下产生的电流来求取定子线股与磁轴的指配情况。

与永久励磁的同步机器相反，由于异步机器在未通电状态下没有转子场，所以该转子场必须在电感测量之前才建立起来。然后可以通过电感测量来确定转子场的位置。因此在要建立转子场所在的该磁化阶段期间，异步机器首先纯粹受控地工作，直至转子场完全建立起来。在该受控的工作中，无法场定向地控制异步机器。

因此需求一种用于异步机器的控制装置和一种用于驱动异步机器的方法，该方法在磁化阶段中就已经能实现异步机器的受控的工作。

发明内容

根据第一方面，本发明提出一种用于异步机器的控制装置，带有：转子场角度探测器，其被设计用来求取在异步机器的磁化阶段中的转子场角度；电机控制器，其被设计用来基于在磁化阶段中的所求取的转子场角度来控制异步机器。

根据另一方面，本发明提出一种用于在磁化阶段中驱动异步机器的方法，具有如下步骤：使得异步机器在磁化阶段中准备好；求取异步机器的转子场角度；基于所求取的转子场角度在磁化阶段中控制异步机器。

本发明的构思在于，在异步机器的磁化阶段期间就已经确定异步机器的转子场角度，并基于该转子场角度在磁化阶段中就已经在受控的工作中控制异步机器。

由于在转子场建立期间提前求取正确的转子场角度，所以在磁化阶段期间就已经可以提前在受控的工作中控制异步机器。因而在磁化阶段期间就已经也可以精确地产生给定的扭矩。

另一优点在于，通过异步机器的提前的受控工作，异步机器能够明显更快地被磁化。

一个附加的优点在于，异步机器在磁化阶段期间就已经能够以给定的扭矩工作。由此防止因未知的转子场角度而产生并非所愿的扭矩。这提高了异步机器的功能可靠性。

在本发明的控制装置的一种实施方式中，转子场角度探测器采用无传送器的方法求取转子场角度。因而在转子轴上绝对不需要额外的用来在磁化阶段期间就已经确定转子场角度并在受控的工作中控制异步机器的传感器。

在本发明的控制装置的另一实施方式中，转子场角度探测器还包括：用于产生电压脉冲的装置，其中，该装置被设计用来给异步机器的定子线股施加以电压脉冲；电流测量装置，其被设计用来测量对在定子线股中的所施加的电流脉冲做出的电流响应；和用于求取转子场角度的装置，其被设计用来基于所测得的电流响应来求取转子场角度。给异步机器施加以电压脉冲，然后分析定子线股中的电流响应，由此可以无传送器地精确地确定当前的转子场角度，而无需额外的传感器。

根据另一实施方式，本发明的控制装置的电机控制器在异步机器中产生给定的扭矩。由此在磁化阶段期间就已经可以使得异步机器以规定的扭矩工作。

在另一实施方式中，在异步机器从静止状态起动期间，或者在工作中断之后异步机器加速期间，发生异步机器的磁化阶段。恰恰在这些工作状态下，可以通过异步机器的按本发明的工作来实现明显地改善工作特性。

本发明还涵盖带有根据本发明的控制装置的异步机器。

在用于驱动异步机器的方法的另一实施方式中，在用于求取异步机器的转子场角度的步骤中，采用无传送器的方法来求取转子场角度。由此无需额外的外部传感器来确定转子场角度。

在一种特殊的实施方式中，用于确定转子场角度的步骤包括如下步骤：对异步机器施加以电压脉冲；测量对在定子线股中的所施加的电流脉冲做出的电流响应；基于测得的电流响应来确定转子场角度。由此可以精确地无传送器地求取当前的转子场角度。

本发明的其它特征和优点可由参照附图所做的后续说明得到。

其中：

图1为根据本发明的一个实施方式的用于异步机器的控制装置的示意图；

图2为根据本发明的另一个实施方式的在磁化阶段期间在异步机器中的磁化电流和相电流的示意性的时间曲线图；

图3为根据本发明的另一个实施方式的用于驱动异步机器的方法的示意图；

图4为在磁化阶段期间在异步机器中的磁化电流和相电流的示意性的时间曲线图。

图1所示为比如基于本发明的一个实施方式的用于异步机器2的控制装置1的示意图。该异步机器2在此可以是任意的异步机器，尤其是带有鼠笼式转子的异步电机。异步机器优选是三相交流异步机器。这种异步机器在内部包括可转动地支撑的转子以及包括外部的固定不动的定子。在此，在定子中引入多个彼此等间距地错开的定子线股。这些定子线股例如是绕线。

由于异步电机通过定子磁场来感应出转子电压，所以异步电机在未通电的状态下起初并没有转子场。转子场必须在磁化阶段期间才建立起来。因而一开始无法按传统方式通过电感测量来确定转子场角度。

对转子场角度的确定因此通过转子场角度探测器11来进行。该转子场角度探测器11以短暂的序列将电压脉冲施加到异步机器的定子线股上。同时，转子场角度探测器11测量在定子线股的所有相上的电流响应。对电流响应的这种测量例如可以通过求取分接电阻上的电压降来进行。但也可以采用其它用来求取定子线股上的电流响应的方法。由于相的电感根据场角度在饱和条件下改变，所以转子场角度探测器11可以随后确定转子场角度的准确位置。为此，转子场角度探测器11利用异步机器的饱和特性，这种饱和特征还取决于转子场。

用于产生电压脉冲的装置11a为此例如以短暂的序列施加不同符号的两个电压脉冲。例如可以沿任意方向以短暂的序列首先施加正的电压脉冲，随后施加负的电压脉冲。然后利用电流测量装置11b测量在异步机器2的定子线股上产生的电流响应。随后，用于求取转子角度的装置11c分析这些电流响应，并由此求取当前的转子场角度，且将该转子场角度传送至电机控制器12。

利用转子场角度探测器11对异步机器2的转子场角度的求取在此已经在异步机器的磁化阶段中进行，即已经在异步机器2中完全建立起转子场之前进行。例如当异步机器2起动时，即例如从静止状态加速时就是这种情况。

另外有些工作状态也是可行的，在这些工作状态下，使得对异步机器2的控制中断一定的时间，从而异步机器2的转速在所述中断期间减小。经过这种中断之后，异步机器2接下来又要重新加速至额定转速。如果异步机器2的转速在此减小，但异步机器2在此并未完全处于静止状态，则采用传统的方式就不能在无传送器的情况下求取当前的转子场角度，因为转子场在所述中断期间也不能得以维持。因此在传统的系统中需要首先使得异步机器2完全处于静止状态，然后在受控的工作中对异步机器2加速，并在这种情况下再次建立起转子场。

为了避免这种制动和重新加速，转子场角度探测器11也可以在这种工作情况下在中断结束之后立即采用前述方法正确地确定异步机器2的转子场角度。接下来也可以在中断期间发生的转速减小情况下，在中断结束之后立即继续在受控制的工作3中利用发动机控制器12进行控制，而不必使得异步机器2事先完全制动。

在磁化阶段期间就已经对转子场角度探测器11予以电感测量，由此也可以在该磁化阶段中始终都求取正确的转子场角度。因此在磁化阶段中，也是在完全建立起转子场之前，就已经可以在受控制的工作中控制异步机器。异步机器因而已经可以在起动或加速时以及在工作中断之后立即在受控制的工作中运行。例如当由于任何干扰而必须短暂地中断能量供给时就会出现异步机器工作中断。在这种情况下，异步机器的转速逐渐地减小。如果在这种中断之后在异步机器完全处于静止状态之前又恢复能量供给，则可以通过求取正确的转子场角度使得异步机器又立即在受控制的工作中继续运行，因而特别迅速地又达到额定转速和所希望的扭矩。而若不了解正确的转子场角度，异步机器就必须首先处于静止状态，然后在基于转子场角度能进行受控的工作之前重新根据设定在受控制的工作中首先再建立起转子场。

转子场角度探测器11还可以将所求取的转子场角度传送至其它处理单元。例如可以将由转子场角度探测器11求取的转子位置传送至安全装置(未示出)，该安全装置监视异步机器的工作，且必要时探测不允许的工作状态或干扰。因而也可以在没有用于转子位置的额外传感器情况下监视异步机器，即使异步机器仍处于磁化阶段中。因此可以采用这种方式特别是保证异步机器的可靠运行，而不必在异步机器2上安置额外的用于监视转子位置的传感器。

还可以把由转子场角度探测器11求取的转子位置与用于确定转子位置的额外传感器的角度位置相比较。因而在两个结果有偏差时推断出干扰。由此在异步机器起动和磁化阶段期间就已经实现了附加的可靠性。

图2所示为转子中的磁化电流I_Mag和异步机器的相电流I_Ph的示意图，根据本发明的实施方式，这些电流比如在异步机器起动时出现。这里在上面的曲线图中示出了转子中的磁化电流I_Mag。该磁化电流I_Mag起初近似直线地增大，直到转子场完全建立起来。然后，在建立了转子场的情况下，磁化电流I_Mag保持恒定。在下面的部分中示意性地示出了在定子线股内的相电流I_Ph的走势。由于很早就已经采取控制，所以这里在很早的时间点就已经可以在受控的工作中控制异步机器，这由在相电流I_Ph的电流曲线中带有相应尖峰的相电流I_Ph可见。

为了比较，图4以示意图示出了采用传统方法的磁化电流I_Mag和相电流I_Ph。这里可以看到，最初在时段I期间，异步机器在受控的工作中以设定好的参数运行。在转子场完全建立起来并且在转子中流动着恒定的磁化电流I_Mag之后，才可以采用传统的方式确定转子场角度，进而过渡到受控的工作II中。

如这里由图2和4的比较可见，由于异步机器按照本发明工作，磁化阶段结束前的且在转子中已产生恒定的磁化电流I_Mag所在的时段明显缩短。异步机器因而可以明显更早地在优化的工作点运行。此点通过了解在磁化阶段期间的转子场角度得以实现，这能实现在这段时间期间精确地控制相电流，来代替纯粹受控的工作。

图3为根据本发明的另一个实施方式的用于在磁化阶段中驱动异步机器2的方法100的示意图。首先在步骤110中准备好异步机器2，在其所处的工作状态下将要建立转子场(磁化阶段)。然后已经在该磁化阶段在步骤120中求取异步机器2的转子场角度。对转子场角度的这种求取在这里优选采用无传送器的方法来进行。因而可以避免额外的转角传送器的缺点，比如额外的硬件成本和空间需求，以及避免与此相关的高昂成本。为了在步骤120中求取转子场角度，这里在步骤121中对异步机器2的定子线股施加以电压脉冲。这里特别是以短暂的序列对异步机器2的定子线股施加以不同符号的至少两个电压脉冲。例如可以对异步机器2首先施加以正的电压脉冲，然后施加以负的电压脉冲。然后在步骤122中测量针对在定子线股中所施加的电流脉冲做出的电流响应。对电流响应的求取在此可以要么通过测量分接电阻上的电压降来进行，要么采用任一其它方法来进行。随后在步骤123中基于先前测得的电流响应来确定转子场角度。对转子场角度的确定在此基于相电感的由转子场角度引起的饱和条件下的关系。

在先前优选无传送器地通过给异步机器2施加以电压脉冲并分析电压响应来求取转子场角度之后，然后可以在步骤130中已经在异步机器2的磁化阶段中基于该转子场角度在受控的工作中控制异步机器。

总之，本发明设计一种方法和一种装置，以便在磁化阶段期间就已经求取异步机器的转子场角度，在所述磁化阶段中要建立起异步机器转子的转子场。然后在磁化阶段期间就已经可以在受控的工作中控制异步机器。由此可以改善异步机器的起动特性，异步机器的磁化阶段缩短，并且在磁化阶段中就已经可以产生所希望的扭矩。

Claims (9)

1.一种用于异步机器(2)的控制装置(1)，带有：

转子场角度探测器控制装置(11)，其被设计用来求取在异步机器(2)的磁化阶段中的转子场角度；

电机控制器(12)，其被设计用来基于在磁化阶段中的所求取的转子场角度来控制异步机器(2)。

2.如权利要求1所述的控制装置(1)，其中，转子场角度探测器(11)采用无传送器的方法求取转子场角度。

3.如权利要求1或2所述的控制装置(1)，其中，转子场角度探测器(11)还包括：

用于产生电压脉冲(11a)的装置，其被设计用来给异步机器(2)的定子线股施加以电压脉冲；

电流测量装置(11b)，其被设计用来测量对在定子线股中的所施加的电流脉冲做出的电流响应；和

用于求取转子场角度的装置(11c)，其被设计用来基于所测得的电流响应来求取转子场角度。

4.如前述权利要求1-3中任一项所述的控制装置(1)，其中，电机控制器(12)在异步机器(2)中产生给定的扭矩。

5.如前述权利要求1-4中任一项所述的控制装置(1)，其中，在异步机器(2)从静止状态起动期间，或者在工作中断之后异步机器(2)加速期间，发生异步机器(2)的磁化阶段。

6.一种异步机器(2)，带有根据权利要求1-5中任一项所述的控制装置。

7.一种用于在磁化阶段中驱动异步机器(2)的方法(100)，具有如下步骤：

使得异步机器(2)在磁化阶段中准备好(110)；

求取(120)异步机器(2)的转子场角度；和

基于所求取的转子场角度在磁化阶段中控制(130)异步机器(2)。

8.如权利要求7所述的方法，其中，采用无传送器的方法求取转子场角度。

9.如权利要求8所述的方法，其中，用于确定转子场角度的步骤(120)包括如下步骤：

对异步机器(2)施加(121)以电压脉冲；

测量(122)对在定子线股中的所施加的电流脉冲做出的电流响应；

基于测得的电流响应来确定(123)转子场角度。